[发明专利]一种考虑运动障碍物的汽车紧急避撞分层式控制方法

摘要

本发明涉及一种考虑运动障碍物的汽车紧急避撞分层式控制方法，其特征在于，该方法是：通过路径动态规划模块根据实时采集的障碍物信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出期望轨迹的侧向位移参考值、横摆角参考值、横摆角速度参考值、纵向速度参考值，输入到路径跟踪控制模块，同时通过路径跟踪控制模块采集当前汽车行驶状态信息，实时优化得出前轮转角和汽车四个车轮滑移率，控制汽车实现避撞。

主权项

1.一种考虑运动障碍物的汽车紧急避撞分层式控制方法，其特征在于，该方法是：通过路径动态规划模块根据实时采集的障碍物信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出期望轨迹的侧向位移参考值、横摆角参考值、横摆角速度参考值、纵向速度参考值，输入到路径跟踪控制模块，同时通过路径跟踪控制模块采集当前汽车行驶状态信息，实时优化得出前轮转角和汽车四个车轮滑移率，控制汽车实现避撞；该方法包括如下步骤：步骤1、路径动态规划模块根据实时采集的障碍物信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出期望轨迹的侧向位移参考值、横摆角参考值、横摆角速度参考值、纵向速度参考值，其包括如下子步骤：步骤1.1、路径动态规划的性能指标设计过程包括如下子步骤：步骤1.1.1、利用预测时域内预测轨迹的终点坐标与目标点坐标误差的二范数作为跟踪性能指标，体现汽车的轨迹跟踪特性，其表达式如下：其中，H_p，h为路径动态规划模块的预测时域，(X_t+Hp，h,Y_t+Hp，h)为预测时域内预测轨迹的终点坐标，由质点模型迭代获得，避撞时汽车要达到的目标点坐标(X_g,Y_g)；所述质点模型为：其中，a_y为汽车侧向加速度；为汽车纵向加速度；分别为横摆角和横摆角速度；分别为大地坐标系中汽车质心的纵向速度和侧向速度；V为当前汽车纵向速度；步骤1.1.2、利用侧向加速度的二范数作为避撞过程中的汽车安全指标，体现汽车避撞稳定性，建立离散二次型汽车安全指标为：其中，H_c，h为路径动态规划模块的控制时域，t表示当前时刻，a_y为质点模型的侧向加速度，w₁为a_y的权重系数；步骤1.2、路径动态规划的约束设计过程包括如下子步骤：步骤1.2.1、设置汽车稳定性约束，保障汽车避障安全；利用线性不等式限制侧向加速度的上下限得到汽车稳定性约束，其数学表达式为：|a_yk,t|＜μg k＝t,t+1……t+H_c,h‑1    (3)其中，μ为路面附着系数，g为重力加速度；步骤1.2.2、设置位置约束，保证避撞过程中不会与障碍物碰撞；t时刻障碍物的位置信息可表征为N个离散点的集合，这些信息可由雷达传感器测量获得，其中第j个离散点的坐标表示为(X_j,t,Y_j,t)，t时刻的汽车质心坐标记为(X_k,t,Y_k,t)，可由汽车动力学模型计算得出，位置约束定为其中，a为汽车质心到车头的距离，b为汽车质心到车尾的距离，c为汽车车宽的一半，为以t时刻为起点预测时域内k时刻汽车的横摆角，D_x,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的纵向距离，D_y,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的横向距离；假定在预测时域内障碍物沿Y方向以恒定速度运动，公式(5)表征了汽车与障碍物N个离散点的接近程度，值越大，说明汽车与障碍物对应离散点的距离越接近，也就越危险；定义t时刻值最大的障碍物离散点j为当前采样周期内的危险点，记为(X_j,t,Y_j,t)，在预测时域内基于此危险点对障碍物运动进行预测，迭代关系表示为：其中，(X_j,t‑1,Y_j,t‑1)为危险点在t‑1时刻的坐标；(X_j,k,Y_j,k)为预测时域内k时刻危险点的坐标；通过迭代的方式更新公式(5)中的障碍物离散点坐标，在预测时域内将障碍物的位置变化整合为模型预测控制算法的位置约束；步骤1.3、构建路径动态规划多目标优化控制问题，求解多目标优化控制问题，进而求出横摆角速度参考值、横摆角参考值、侧向位移参考值和纵向速度参考值，其包括如下子步骤：步骤1.3.1、通过雷达传感器获取障碍物信息，通过车速传感器和陀螺仪获取汽车行驶状态信息，并将获取的障碍物信息和汽车行驶状态信息输入路径动态规划模块；步骤1.3.2、利用线性加权法将跟踪性能指标和汽车安全指标转化为单一指标，构建路径动态规划多目标优化控制问题，该问题要同时满足汽车稳定性约束和位置约束，且保证路径动态规划输入输出符合质点模型：服从于i)质点模型ii)约束条件为公式(3)～(7)步骤1.3.3、在路径动态规划模块中，调用遗传算法，求解多目标优化控制问题，得到最优开环控制a_y^*为：服从于i)质点模型ii)约束条件为公式(3)～(7)步骤1.3.4、利用当前时刻最优开环控制a_y^*(0)，求出横摆角速度参考值横摆角参考值侧向位移参考值Y_ref、纵向速度参考值具体表达式如下：其中，V为当前汽车纵向速度，为汽车侧向速度的参考值，为路径侧向速度的参考值；步骤2、路径跟踪控制模块接收由路径动态规划模块输出的期望轨迹的侧向位移参考值、横摆角参考值、横摆角速度参考值、纵向速度参考值，同时路径跟踪控制模块采集当前的汽车行驶状态信息，实时优化得出汽车的前轮转角和汽车四个车轮滑移率，控制汽车实现避撞，其包括如下子步骤：步骤2.1、路径跟踪控制的性能指标设计过程包括如下子步骤：步骤2.1.1、利用路径动态规划模块输出的侧向位移参考值Y_ref、横摆角参考值横摆角速度参考值纵向速度参考值与实际汽车行驶状态信息的误差的二范数作为循迹性能指标，体现汽车的轨迹跟踪特性，其表达式如下：其中，η_k,t为汽车行驶状态信息，由汽车动力学模型迭代获得，η_refk,t为路径动态规划模块提供的参考值，H_p，l为路径跟踪控制模块的预测时域，w₂为权重系数；所述汽车动力学模型：F_xi＝f_xicos(δ_i)‑f_yisin(δ_i),i∈{1,2,3,4}   (31)F_yi＝f_xisin(δ_i)+f_yicos(δ_i),i∈{1,2,3,4}   (32)其中，F_xi、F_yi分别为四个车轮沿着车身坐标方向的纵向分力与侧向分力；f_xi、f_yi分别为四个车轮沿车轮坐标方向的分力，其中f_xi为四个车轮滑移率和车轮垂直载荷的函数，f_yi为前轮转角和车轮垂直载荷的函数，具体数值可由魔术公式确定；分别为汽车纵向速度和纵向加速度；分别为汽车侧向速度和侧向加速度；分别为汽车横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；l_f、l_r分别为汽车质心到前、后轴的距离，l_s为汽车轮距大小的一半；J_z为绕汽车质心的铅垂轴的横摆转动惯量；M为汽车质量；X、Y分别为大地坐标系中汽车质心位置的横、纵坐标；δ_i为四个车轮转角，这里汽车为前轮转向，故δ₃＝δ₄＝0；所述魔术公式的参数由试验拟合得出，具体表达式如下：其中，α_f、α_r分别为前轮侧偏角和后轮侧偏角；F_z,f、F_z,r分别为汽车前、后轴载荷；s_i为汽车四个车轮滑移率；A_xi、B_xi、C_xi、D_xi、E_xi和A_yi、B_yi、C_yi、D_yi、E_yi为试验拟合参数，具体参数由表4所示：表4魔术公式参数步骤2.1.2、利用控制量变化率的二范数作为避撞过程中的执行器的转向制动平滑指标，体现转向制动平滑特性；控制量u为汽车前轮转角δ和汽车四个车轮滑移率s_i i∈{1，2，3，4}，建立离散二次型转向制动平滑指标为：其中，H_c，l为控制时域，t表示当前时刻，Δu为控制量变化率；步骤2.2、路径跟踪控制的约束设计为设置汽车稳定性约束，保障汽车避障安全；利用线性不等式限制前轮转角和四个车轮滑移率的上、下限，得到转向、制动执行器的物理约束，其数学表达式为：δ_min＜δ_k,t＜δ_max k＝t,t+1……t+H_c,l‑1    (24)s_imin＜s_ik,t＜s_imax i∈{1,2,3,4}k＝t,t+1……t+H_c,l‑1    (25)其中，δ_min为前轮转角下限，δ_max为前轮转角上限，s_imin为四个车轮滑移率下限，s_imax为四个车轮滑移率上限；步骤2.3、构建路径跟踪控制多目标优化控制问题，求解多目标优化控制问题，得出实时优化的汽车前轮转角和四个车轮滑移率，实现考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制，其包括如下子步骤：步骤2.3.1、路径跟踪控制模块从路径动态规划模块中获得期望轨迹的侧向位移参考值、横摆角参考值、横摆角速度参考值和纵向速度参考值；步骤2.3.2、利用线性加权法将循迹性能指标和执行器平滑指标转化为单一指标，构建路径跟踪控制多目标优化控制问题，该问题要同时满足转向、制动执行器的物理约束，且保证路径跟踪控制输入输出符合汽车动力学模型：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件为公式(24)～(25)步骤2.3.3、在路径跟踪控制器中，调用SQP算法，求解多目标优化控制问题(26)，得到最优开环控制u^*为：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件为公式(24)～(25)步骤2.3.4、利用当前时刻最优开环控制u^*(0)进行反馈，实现闭环控制，实现了考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制。